熱-力耦合作用下螺栓連接松動行為研究*

張德乾 李 豐 化俞新 范健飛 張 挺 劉建華 朱旻昊

（1. 中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東青島 266111；2. 西南交通大學材料先進技術教育部重點實驗室 四川成都 610031）

螺栓連接廣泛應用于工程結構和機械設備中， 是機械連接中最常見有效的連接方式之一。 在工程應用中， 由于外部環境以及螺栓自身因素的影響， 螺栓連接可能會存在疲勞斷裂和松動的問題。 據相關統計發現， 世界各國因螺紋連接結構的失效造成較大的經濟損失［1］。

GOODIER 和SWEENEY［2］通過試驗研究指出，在軸向交變載荷作用下， 螺紋接觸面間會發生滑動，導致螺紋連接發生松動， 并且松動程度隨著幅值增大而升高。 JUNKER［3］設計了螺栓連接在橫向交變載荷下的松動試驗機——Junker 試驗機， 并指出松動主要是由于螺紋間的相對運動所引起的。 SAKAI［4］定義了臨界滑動的概念， 即造成螺栓頭部承載面發生相對滑移的被連接件之間的最小滑動量。 ZHANG、 JIANG等［5-7］通過試驗和有限元方法得出螺栓連接的松動過程分為2 個階段： 第一階段， 螺紋接觸界面沒有相對轉動， 螺紋接觸面和連接結構的塑性變形， 導致螺栓軸向力緩慢下降； 第二階段， 螺紋接觸界面的相對轉動， 使螺栓軸向力快速下降。 PAI 和HESS 等［8-9］認為螺紋接觸界面、 螺栓頭部和承載接觸界面均可能存在局部滑移狀態或完全滑移狀態， 累積局部滑移比完全滑移所需要的橫向載荷低。 周仲榮、 管聰榮和唐輝等人［10-12］研究發現螺紋表面微動損傷會導致螺栓連接發生松動。 杜永強等［13］、 于澤通等［14］研究了軸向交變載荷下螺栓連接的松動行為， 結果表明螺栓連接發生松動的原因是螺紋接觸面間的微動磨損， 并揭示了螺紋磨損區域的損傷機制和磨損機制。 LIU 等［15-16］研究了螺栓連接在軸向激勵下的松動機制， 研究表明螺栓松動前期主要原因是材料的塑性變形， 松動后期是由于螺紋接觸界面的微動磨損。 IBRAHIM 和PETTIT［17］研究表明： 在振動工況下， 螺紋表面發生微動磨損，引起螺栓連接的軸向力逐漸減小， 當減小到一定值時， 螺母與螺栓之間發生相對轉動， 進而導致螺栓連接軸向力快速減小。 ZHANG 等［18-19］研究了橫向交變載荷下螺栓連接的松動行為， 螺紋接觸面間的微動磨損會改變界面接觸狀態， 影響接觸應力的分布狀態和幅值， 進而導致螺栓軸向力下降。

徐浩等人［20］研究發現， 高溫環境中螺栓初始預緊力決定預緊力的下降幅值， 初始預緊力越大， 損失的預緊力越大， 殘余預緊力越大。 相關研究發現， 高溫環境下法蘭發生泄漏不可忽視的一個重要因素是螺栓材料發生蠕變而導致的應力松弛［21-23］。 王志武和宋濤［24］研究了20CrlMoIVI 鋼在540 ℃、 9.8 MPa 下服役3×105h 后的力學性能， 得出在上述條件下，20CrlMoIVI 鋼仍然保持良好的力學性能。 毛磊等人［25］研究發現2Cr12NiMoWV 在高溫下螺栓出現硬度上升。 陳漢良［26］介紹了計算高溫螺栓材料許用應力的方法， 發現許用的最大初始應力不僅與螺栓的性能如高溫持久強度、 缺口敏感系數等有關， 且與螺栓的應力集中系數有關。 但在交變溫度和載荷耦合作用下螺栓連接結構的松動行為及其防松的試驗研究較少。

本文作者基于研制螺栓連接松動試驗夾具和溫度加載裝置， 開展溫度和橫向交變載荷耦合作用下螺栓連接結構松動行為研究， 運用微動摩擦學理論、 微觀分析手段和動力學響應， 研究溫度和橫向交變載荷耦合作用下螺栓連接結構松動行為。 此外， 選取DLC涂層和CrAlN 涂層分別對螺栓進行表面處理， 研究不同溫度下2 種涂層螺栓連接結構的松動行為， 并討論其防松性能。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 新型螺栓連接的松動試驗夾具

圖1 示出了熱-力耦合作用下螺栓連接的松動試驗裝置， 上、 下夾具分別采用7050 鋁合金和316L 不銹鋼材料。 為了減小試驗過程中上、 下夾具間的摩擦力， 降低兩者之間的材料損傷， 在下夾具中使用滾子軸承（型號： IKO-NAG4900） 和軸承鋼滾柱（材料：GCr15）， 并在軸承中添加耐高溫的潤滑脂 （美孚XHP222）。 下夾具在試驗前通過疲勞機的下夾頭固定； 然后使用定位銷， 對上夾具和下夾具進行定位，保證上下夾具螺栓孔處于同一軸線上； 隨后用螺栓穿過隔熱墊片、 隔熱內套、 壓力傳感器和上下夾具與螺母連接； 使用扳手對螺栓頭進行固定， 先使用數顯扭矩扳手對螺母施加一定扭矩， 取出上、 下夾具之間的定位銷， 再施加扭矩使螺栓預緊力達到預設值； 調整試驗機上夾頭， 并夾緊上夾具的夾持端。 壓力傳感器與動態測試分析系統相連， 實時采集螺栓軸向力的變化。

圖1 螺栓連接的松動試驗夾具示意Fig.1 Schematic of the loosening test fixture for bolted joint

1.2 試驗材料及涂層

1.2.1 試驗材料

上夾具材料為7050 鋁合金， 下夾具材料為316L不銹鋼， 試驗采用的螺栓和螺母均為35CrMo 鋼， 其化學成分如表1 所示。 螺紋公稱直徑為10 mm， 螺距為1.5 mm， 螺紋相關參數見文獻［27］。 螺栓表面分別采用DLC 涂層和CrAlN 涂層處理， 螺母表面采用DLC 涂層。 2 種材料的主要機械性能如表2 所示。

表1 試驗材料主要化學成分 單位：%Table 1 Main chemical composition of test materials Unit：%

表2 試驗材料主要機械性能Table 2 Main mechanical properties of test materials

1.2.2 涂層的制備及分析

DLC 涂層和CrAlN 涂層分別采用CVD、 PVD 技術制備。 為了檢測涂層的力學性能和基本屬性， 對相同基體（35CrMo 鋼） 的平面樣品在同一批涂層制備腔內鍍上DLC 涂層和CrAlN 涂層。 采用賽默飛Dxi 共聚焦拉曼光譜儀檢測涂層的表面物組成， 其中： DLC涂層激發波長為532 nm； CrAlN 涂層激發波長為532 nm。 采用納米壓痕測試儀（型號： 安東帕UNHT）檢測涂層的彈性模量和納米硬度， 其中DLC 涂層最大加載力為10 mN， 加載速度和卸載速度為20 mN／min； CrAlN 涂層最大加載力為9 mN， 加載速度和卸載速度為18 mN／min。

DLC 涂層和CrAlN 涂層的拉曼光譜如圖2 所示。DLC 涂層結構是位于金剛石和石墨之間的一種結構，金剛石結構主要為sp3C-C 雜化鍵， 而石墨結構主要為sp2C-C 雜化鍵。 因此， 運用Gaussian 函數對拉曼圖譜進行擬合， 可以得到2 種特征峰： 表征sp3C-C雜化鍵的D 峰（1 370 cm-1）、 表征sp2C-C 雜化鍵的G 峰（1 550 cm-1）［28］， D 峰與G 峰的峰強比ID∶IG＝0.88。 從CrAlN 涂層拉曼圖譜可以觀察到， 在260 和750 cm-1附近存在峰。 據相關文獻［29］可知， CrAlN具有面心立方結構 （FCC）， 所以會在260 和750 cm-1附近存在拉曼帶。

圖2 涂層拉曼圖譜Fig.2 Raman spectrum of coatings： （a） DLC coating； （b） CrAlN coating

圖3 所示是DLC 涂層和CrAlN 涂層的載荷-位移曲線。 DLC 涂層表面的彈性模量約為184.3 GPa， 納米硬度約為19.4 GPa； CrAlN 涂層表面的彈性模量約為330 GPa， 納米硬度約為30.1 GPa。

圖3 涂層載荷-位移曲線Fig.3 Coating load-displacement curves

1.3 試驗參數

螺栓預緊力：p0＝14.3 kN；

試驗頻率：f＝10 Hz；

循環次數：N＝5×104次；

位移幅值加載路徑：Ad＝AFsin（2πft）， 其中AF＝0.2 mm；

試驗溫度： 室溫（RT）、 70 ℃、 140 ℃、 180 ℃。

1.4 微觀分析方法

試驗結束后， 將螺栓樣品放入裝有乙醇溶液的燒杯中， 利用超聲波清洗儀對其進行清洗， 每次10 min， 共清洗3 次， 然后烘干， 并置于干燥皿中。 利用光學顯微鏡（OM， OLYMPUS-DSX100） 觀察試驗后螺紋表面的損傷形貌， 并標注損傷嚴重區域。 采用電火花線切割方法， 截取螺栓工作螺紋的前三牙， 并對其進行超聲波清洗， 利用掃描電子顯微鏡（SEM，JOELJEM-6610LV， 日本） 進行表面損傷形貌分析，并使用SEM 附帶的電子能譜儀（EDX， OXFORDXMAX50 INCA-250） 對損傷區表面及磨屑進行化學成分分析。 此外， 使用三維白光干涉儀 （3D-WLI，BRUKER Contour GT-K） 對第一圈螺紋表面損傷區進行三維形貌表征， 測量其磨損深度。

2 結果與討論

2.1 室溫環境下螺栓連接結構的松動行為研究

根據相關研究可知： 螺栓連接結構在承受工作載荷時， 前三圈工作螺紋約承載全部軸向力的70%，第一圈工作螺紋約承載了全部軸向力的30%［30］。 因此， 運用OM 重點分析了前三圈工作螺紋的磨損情況。 如圖4 所示， 從右至左分別為第1、 2、 3 圈工作螺紋， 前三圈螺紋的表面磨損程度不一致并在局部區域呈現出不連續性。 其原因是在螺栓工作時， 第一圈螺紋的承載最大， 往后的螺紋承載隨圈次增加而減小， 螺紋表面磨損程度隨圈次增加而減小。 從圖中還可以看出， 螺紋表面磨損主要集中在螺紋牙頂區域，其原因是在松動的過程中牙頂區域界面滑移幅值較大。

圖4 室溫下螺紋OM 形貌（p0 ＝14.3 kN）Fig.4 OM images of thread surfaces at room temperature（p0 ＝14.3 kN）： （a） before test； （b） after test

如圖5 所示， 螺紋表面存在明顯剝落和犁溝， 在I 區域伴隨點蝕形貌和塑性流動， 在II 區域伴隨有點蝕形貌， 說明其磨損機制為疲勞磨損和磨粒磨損。 從圖5 （b） 可以看出， 螺紋表面點B 處氧元素含量比點C 處高， 故點B 所在位置發生了氧化磨損。 因此，螺紋表面的磨損機制為疲勞磨損、 氧化磨損和磨粒磨損。 如圖6 所示， 螺紋表面的磨損整體較輕微， 部分區域的磨損比較嚴重， 螺紋表面區域的磨損呈現出不連續性， 但螺紋表面整體的磨損深度較淺。

圖5 室溫下螺栓螺紋SEM 形貌和EDX 分析（p0 ＝14.3 kN）Fig.5 SEM morphology （a） and EDX analysis （b） of bolt threads at room temperature （p0 ＝14.3 kN）

圖6 室溫下螺栓螺紋表面三維形貌和磨損深度（p0 ＝14.3 kN）Fig.6 Three-dimensional morphology and wear depth of bolt thread surface at room temperature （p0 ＝14.3 kN）：（a） three-dimensional morphology of bolt thread surface； （b） wear depth profile of the first thread

如圖7 所示， 螺栓軸向力的減小主要分為2 個階段： 快速降低階段， 循環次數為N＝0 ～103， 螺栓軸向力迅速減小主要由螺栓連接發生了塑性變形和螺紋表面的粗糙峰被去除所引起的； 循環次數為N＝103～5×104次， 由于材料的棘輪效應， 螺紋接觸界面發生微動磨損， 螺栓軸向力緩慢下降。 試驗結束后， 螺栓軸向力減小了約5.5%， 而第一階段下降約4%， 占總松動程度的72%。 此外， 微動磨損產生的磨屑在接觸副間不斷堆積和排出， 所以螺栓軸向力在部分循環周期內出現波動。

圖7 室溫下螺栓松動曲線（p0 ＝14.3 kN）Fig.7 Bolt loosening curves at room temperature （p0 ＝14.3 kN）

2.2 高溫環境下螺栓連接結構的松動行為研究

如圖8 所示， 高溫環境下螺栓連接結構的松動試驗過程分為3 個過程： （1） 加熱過程， 對于試驗溫度為70、 140、 180 ℃的螺栓連接結構， 加熱時間分別選取為2×103、 3×103、 3.5×103s； （2） 松動試驗過程， 松動試驗循環次數為5×104， 試驗機頻率為10 Hz， 試驗時間為5×103s； （3） 冷卻過程， 在松動試驗結束后， 關閉加熱裝置， 等待螺栓連接結構冷卻至室溫， 如圖8 所示。 為了便于后續分析討論， 將ΦT定義為松動試驗過程的松動程度，ΦF定義為試驗結束冷卻到室溫后， 螺栓連接的松動程度，RF為整個試驗過程中螺栓的松動百分比。

圖8 溫度松動試驗過程松動百分比變化（p0 ＝14.3 kN）Fig.8 Variation of looseness percent at temperature loosening test process （p0 ＝14.3 kN）

圖9 所示為不同溫度下螺栓螺紋OM 形貌。 可以看出， 螺紋牙頂附近區域的磨損最嚴重； 隨著螺栓工作溫度的增加， 接觸螺紋表面的磨損更嚴重。 其原因可能是： 溫度導致螺栓連接結構的變形， 在溫度和橫向循環載荷的耦合作用下， 螺紋接觸界面之間的磨損更加劇烈。

圖9 不同溫度下螺栓螺紋OM 形貌（p0 ＝14.3 kN）Fig.9 OM morphology of bolt thread at different temperatures （p0 ＝14.3 kN）： （a） 70 ℃； （b） 140 ℃； （c） 180 ℃

由圖10 （a） 可知， 溫度70 ℃下螺紋表面存在剝層并在I 區、 II 區觀察到明顯的點蝕形貌， 表明其磨損機制為疲勞磨損。 由圖10 （b） 可知， 溫度140℃下螺紋表面存在點蝕和剝層形貌， 損傷區域也是集中在螺紋牙頂附近； Ⅰ區和Ⅱ區都可以觀察到剝層和點蝕形貌， 說明Ⅰ區和Ⅱ區都發生了疲勞磨損。 EDX成分分析結果表明， 點B 處氧元素含量比點C 處高，說明點B 處發生氧化磨損。 因此， 疲勞磨損和氧化磨損為螺紋接觸界面之間的主要磨損機制。 由圖10 （c）可知， 溫度180 ℃下接觸螺紋表面存在剝層，并且還有犁溝和點蝕形貌； Ⅰ區損傷形貌主要為剝層形貌， 并且還存在點蝕形貌， 則說明Ⅰ區發生了疲勞磨損； Ⅱ區觀察到剝落坑和點蝕形貌， 所以Ⅱ區發生了疲勞磨損。 EDX 成分分析結果顯示， A、 B、 C 三點處元素含量差異不大， 故不能確定氧化磨損。 所以當試驗溫度為180 ℃時， 疲勞磨損為螺紋表面的主要磨損機制。

圖10 不同溫度下螺栓螺紋SEM 形貌和EDX 分析結果（p0 ＝14.3 kN）Fig.10 SEM morphology and EDX analysis results of bolt threads at different temperatures （p0 ＝14.3 kN）： （a）70 ℃； （b）140 ℃； （c）180 ℃

綜上所述， 相同預緊力情況下， 隨著螺栓連接工作溫度的增加， 螺紋表面的磨損程度更嚴重， 原因是螺栓連接工作溫度升高， 連接結構變形不一致， 接觸界面滑移幅值增大， 在溫度和循環載荷耦合作用下，螺紋接觸界面之間的磨損更加劇烈。

圖11 所示為不同溫度下螺栓螺紋表面三維形貌和磨損深度。 可以得出， 螺栓連接工作溫度為70 ℃時， 螺紋表面的磨損整體較輕微， 只有部分區域的磨損比較嚴重， 但螺紋表面整體的磨損深度較淺； 當螺栓連接結構工作溫度增加時， 螺紋表面的磨損加劇，且表面磨損的深度更大。

圖11 不同溫度下螺栓螺紋表面三維形貌和磨損深度（p0 ＝14.3 kN）Fig.11 Three-dimensional topography of bolt thread surface and wear depth at different temperatures （p0 ＝14.3 kN）：（a） 70 ℃； （b） 140 ℃； （c） 180 ℃； （d） wear depth profile of the first thread

圖12 所示為不同溫度下螺栓軸向力系數變化曲線和松動程度。 可觀察到， 由于螺栓和被連接件材料存在熱膨脹系數差異， 被連接件熱膨脹系數比螺栓大， 所以螺栓軸向力變大， 且溫度越高， 軸向力增幅越大。 從圖12 （d） 中可以看出， 隨著溫度載荷的增加， 在交變載荷作用下螺栓連接結構的松動程度增大， 且冷卻到室溫后的松動程度也增大。 其原因可能是： 連接結構的熱膨脹系數不同， 所以溫度載荷引起的熱變形不協調， 引起接觸界面發生更大的相對滑動， 在溫度和橫向交變載荷的耦合作用下， 螺栓連接松動程度越大。

圖12 不同溫度下螺栓軸向力系數變化曲線和松動程度（p0 ＝14.3 kN）Fig.12 Variation curves of axial force coefficient and loosening degree at different temperatures （p0 ＝14.3 kN）：（a） 70 ℃； （b） 140 ℃； （c） 180 ℃； （d） histogram of loosening degree

2.3 橫向載荷作用下2 種涂層螺栓連接的松動試驗研究

2.3.1 DLC 涂層螺栓／螺母連接結構的松動行為研究

如圖13 所示， DLC 涂層螺栓螺紋表面磨損區域主要集中在螺紋牙頂附近， 隨著工作溫度的增加， 螺紋表面磨損區域變大， 損傷程度更加嚴重。 第一圈工作螺紋表面的磨損最為嚴重， 其余兩圈工作螺紋的表面磨損程度相對輕微， 說明工作螺紋圈次增加， 螺紋表面磨損程度減輕。 此外， 結合圖4 分析可知， 在相同的室溫條件下， DLC 涂層螺紋接觸表面的磨損程度相對輕微， 這是由于DLC 涂層具有自潤滑效果，并且DLC 涂層有良好的耐磨性能［31］， 減輕了螺紋接觸界面之間的微動磨損。

圖13 不同溫度下試驗前后DLC 涂層螺栓螺紋OM 形貌（p0 ＝14.3 kN）Fig.13 OM morphology of DLC-coated bolt thread before and after test at different temperature （p0 ＝14.3 kN）：（a） before test； （b） RT； （c） 70 ℃； （d） 140 ℃； （e） 180 ℃

為了進一步探究DLC 涂層螺栓螺紋表面的磨損機制， 使用SEM 和EDX 分析等微觀分析手段來分析第一圈工作螺紋表面形貌和化學成分， 如圖14 所示。圖14 （a）中的損傷形貌主要表現為剝層， 螺紋牙中部區域存在大小不一的剝落坑。 Ⅰ區和II 區觀察到剝層形貌， 并形成了剝落坑， 表明損傷區域主要的磨損機制為疲勞磨損。 同時， 螺紋表面僅有部分區域的DLC 涂層發生剝落， 螺紋表面多數區域涂層仍涂覆在基體上， 表明DLC 涂層具有良好的耐磨性能。 此外， 螺紋表面Ⅰ、 Ⅱ損傷區和點C 所在區域EDX 成分分析結果顯示， A、 B、 C 三點處氧元素含量差異不大， 所以不能確定是否發生氧化磨損。 因此在室溫條件下， DLC 涂層螺栓／螺母螺紋接觸界面之間的主要磨損機制為疲勞磨損。

圖14 不同溫度下DLC 涂層螺栓螺紋SEM 形貌和EDX 成分分析（p0 ＝14.3 kN）Fig.14 SEM morphology and EDX analysis of DLC coated threads at different temperature（p0 ＝14.3 kN）： （a） RT； （b） 70 ℃； （c） 140 ℃； （d） 180 ℃

圖14 （b） 中， 螺紋牙頂附近區域損傷嚴重， 并且損傷形貌主要為剝層和犁溝。 I、 II 區觀察到DLC涂層剝落， 且在II 區中還可以看到明顯的犁溝。 因此， I、 II 區都發生了疲勞磨損， II 區還存在磨粒磨損。 螺紋表面Ⅰ、 Ⅱ損傷區和點C 所在區域EDX 成分分析結果顯示， 點A 和點B 主要為鐵元素和氧元素， 則A 和B 兩區域都發生了氧化磨損。 所以當試驗溫度為70 ℃時， DLC 涂層螺栓／螺母螺紋接觸界面之間的主要磨損機制為疲勞磨損、 氧化磨損、 磨粒磨損。

圖14 （c） 中， 螺紋表面的損傷形式主要為剝層， 并且在牙頂附近區域存在犁溝和涂層剝落， 而螺紋牙底區域則存在剝落坑。 I、 II 區存在剝層和塑性流動， 說明I、 II 區均發生了疲勞磨損。 EDX 分析表明， 點A、 B 處都存在鐵元素以及氧元素， 所以點A、 B 處發生了氧化磨損。 因此， 當試驗溫度為140℃時， 疲勞磨損、 氧化磨損為螺紋接觸界面間的主要磨損機制。

圖14 （d） 中， 螺紋牙頂區域存在涂層剝落， 在螺紋牙底還存在剝層和塑性流動， 螺紋表面的損傷形式主要為剝層和犁溝， 并且有部分塑性流動。 I、 II區均觀察到剝層以及塑性流動， 同時II 區域還存在犁溝， 這表明I、 II 區均存在疲勞磨損， II 區還存在磨粒磨損。 此外， 螺紋表面Ⅰ、 Ⅱ損傷區和點C 所在區域EDX 成分分析結果顯示： A、 B 兩點都含鐵元素和少量的氧元素， 故氧化磨損在點A 和B 所在區域發生。 所以當試驗溫度為180 ℃時， 疲勞磨損、 氧化磨損和磨粒磨損為接觸螺紋表面的主要磨損機制。

綜上， 在預緊力相同的情況下， 試驗溫度增加，接觸螺紋表面磨損加劇， 并且螺紋表面DLC 涂層因微動磨損剝落的區域隨著試驗溫度的增加而增大。 這主要是由于隨著試驗溫度的增加， 雖然DLC 涂層摩擦因數會降低， 但磨損率提高， 更易磨損， 且熱穩定性減弱， 可能會發生石墨化、 脫氫、 剝落等［32］， 在橫向交變載荷和溫度耦合作用下， 螺紋接觸表面的磨損程度加劇， 螺紋表面涂層更容易發生剝落。

如圖15 所示， 在室溫條件下， 螺紋表面的磨損整體較輕微， 且磨損區域主要在牙頂附近， 螺紋表面部分區域能明顯地看到凹坑形貌， 但磨損深度較淺。隨著溫度增加， 螺紋表面的磨損程度愈加嚴重， 表面磨損的深度加深。 當溫度增加到180 ℃時， 螺紋表面會出現較長的溝壑狀形貌。 因此， 螺栓連接的溫度越高， 螺紋表面的磨損程度更嚴重， 螺紋表面磨損的深度越深。

圖15 不同溫度下DLC 涂層螺栓螺紋三維形貌和磨損深度（p0 ＝14.3 kN）Fig.15 Three-dimensional morphology of DLC coated bolt threads and wear depth at different temperature （p0 ＝14.3 kN）：（a） RT； （b） 70 ℃； （c） 140 ℃； （d） 180 ℃； （e） wear depth profile of the first thread

2.3.2 CrAlN 涂層螺栓／螺母連接結構的松動行為研究

如圖16 所示， 前三圈工作螺紋磨損區域主要靠近牙頂區域， 并且工作螺紋圈次增加， 螺紋表面磨損程度減小。 同時， 螺栓連接工作溫度增大， 接觸螺紋表面的損傷區域變大， 接觸螺紋表面損傷更嚴重。 此外， 結合圖4 可以看出， 在相同的室溫條件下，CrAlN 涂層螺紋表面的磨損更加劇烈。 其原因可能是： CrAlN 涂層表面較粗糙， 而無涂層螺母螺紋表面相對光滑， 在螺栓擰緊過程或試驗過程中， 螺栓表面涂層的粗糙峰或微凸體被去除， 所以螺紋表面的磨損嚴重。

圖16 不同溫度下試驗前后CrAlN 涂層螺栓螺紋OM 形貌（p0 ＝14.3 kN）Fig.16 OM morphology of CrAlN coated bolt thread before and after test at different temperature （p0 ＝14.3 kN）：（a） before test； （b） RT； （c） 70 ℃； （d） 140 ℃； （e） 180 ℃

圖17 所示為不同溫度下CrAlN 涂層螺栓螺紋SEM 形貌和EDX 分析結果。 從圖17 （a） 可知， 螺紋牙頂損傷比較嚴重， 存在壓潰剝落的特征， 并且螺紋牙中部的區域能明顯看到磨損現象。 Ⅰ區的損傷非常輕微， 螺紋表面存在較小的磨粒； Ⅱ區同樣可以明顯地觀察到螺紋牙頂的壓潰剝落， 螺紋表面材料發生脫落， 且伴隨有犁溝形貌。 因此， Ⅰ、 II 區發生了磨粒磨損。 同時， 螺紋表面Ⅰ、 Ⅱ區和點C 所在區域EDX 成分分析結果顯示， A、 B、 C 三點O 元素的含量差異不大， 故不能確定氧化磨損。 所以在室溫工況下， 磨粒磨損為DLC 涂層螺栓／無涂層螺母連接結構螺紋接觸界面之間的主要磨損機制。

圖17 不同溫度下CrAlN 涂層螺栓螺紋SEM 形貌和EDX 分析結果（p0 ＝14.3 kN）Fig.17 SEM morphology and EDX analysis results of CrAlN coated bolt threads at different temperature（p0 ＝14.3 kN）： （a） RT； （b） 70 ℃； （c） 140 ℃； （d） 180 ℃

如圖17 （b） 所示， 螺紋牙頂附近損傷比較嚴重， 并且牙頂同樣也存在壓潰剝落的特征， 而表面其他區域存在剝層， 整體的損傷較輕微， Ⅰ、 II 區螺紋表面存在涂層剝落。 因此， I、 Ⅱ區均發生了疲勞磨損。 EDX 分析結果表明， A、 B、 C 三點氧元素含量差距不大， 不能判斷是否發生氧化磨損。 所以當試驗溫度為70 ℃時， 疲勞磨損為螺紋接觸界面之間的主要磨損機制。

如圖17 （c） 所示， 螺紋表面存在剝層形貌， 在牙頂附近還有犁溝和明顯的塑性流動現象， 螺紋表面分布著大小不均勻的剝落坑和一些點蝕形貌。 Ⅰ、 II區觀察到剝層形貌， 并且螺紋牙頂材料發生壓潰剝落， 則I、 II 區發生了疲勞磨損， Ⅱ區還存在明顯的犁溝， 所以Ⅱ區發生了磨粒磨損。 同時， A、 B、 C、三點區域EDX 成分分析結果表明， A、 B、 C 三點氧元素含量差距不大， 不能判斷是否發生氧化磨損。 因此， 當試驗溫度為140 ℃時， 疲勞磨損和磨粒磨損為螺紋接觸界面間的主要磨損機制。

如圖17 （d） 所示， 螺紋中部區域磨損程度比較嚴重， 螺紋牙頂處有犁溝， 且螺紋表面其他區域也存在剝層。 Ⅰ、 Ⅱ區觀察到剝層形貌區， 則說明Ⅰ、 Ⅱ區發生了疲勞磨損。 同時， A、 B、 C 三點區域EDX成分分析結果表明： A、 B 兩點的鋁元素和鉻元素含量相對較少， 鐵元素的含量相對較多， 故點A 和B處都發生了微動磨損。 所以當試驗溫度為180 ℃時，疲勞磨損和微動磨損為接觸螺紋表面的主要磨損機制。

綜上， 在預緊力相同的情況下， 試驗溫度的增加， 接觸螺紋表面的磨損加劇， 并且螺紋表面涂層剝落的面積隨著試驗溫度的增加而增大。 這主要是由于試驗溫度的升高， 導致CrAlN 涂層磨損率增加， 并且摩擦因數增大［33］， 在橫向交變載荷和溫度耦合作用下， 螺紋接觸表面的磨損程度加劇， 螺紋表面涂層發生剝落。

如圖18 所示， 在室溫條件下， 螺紋表面的磨損整體較輕微， 只有部分區域的磨損比較嚴重， 且磨損的深度較小。 當工作溫度升高時， 螺紋表面的磨損加劇， 磨損區域增大， 并且磨損的深度比室溫下更深，此外， 當溫度增加到140 ℃時， 螺紋表面會出現較大的溝壑形貌和磨損區域。 因此， 隨著工作溫度的升高， 接觸螺紋表面的磨損更嚴重， 且磨損的深度更深。

圖18 不同溫度下CrAlN 涂層螺栓螺紋三維形貌和磨損深度（p0 ＝14.3 kN）Fig.18 Three-dimensional morphology of CrAlN coated threads at different temperatures （p0 ＝14.3 kN）：（a） RT； （b） 70 ℃； （c） 140 ℃； （d） 180 ℃； （e） wear depth profile of the first thread

如圖19 所示， 在室溫條件下， DLC 涂層螺栓連接和CrAlN 涂層螺栓／無涂層螺母連接的防松效果較好， 其原因可能是： DLC 涂層具有較低的摩擦因數和良好的耐磨性， 而CrAlN 涂層表面摩擦因數較高，硬度較高且耐磨， 在與無涂層螺母配合時， 滑移現象在螺紋界面間不易發生， 所以也具有一定的防松效果。 隨著試驗溫度的增加， 螺栓連接結構松動程度增加。 當試驗溫度為70 ℃， DLC 涂層和室溫時一樣，具有相對較好的防松效果， 而CrAlN 涂層螺栓／無涂層螺母連接和無涂層螺栓連接松動程度相差不大。 當溫度升高時， 由于熱膨脹不均勻引起的被連接件之間的熱變形不協調更嚴重， 在溫度和橫向交變位移載荷的耦合作用下， 螺紋表面磨損更劇烈， 螺栓連接的松動程度越大。 相比普通螺栓連接， DLC 涂層螺栓連接則具有相對較好的防松效果， 而CrAlN 涂層螺栓／無涂層螺母螺栓連接在一定溫度時有相對較好的防松效果。

圖19 不同溫度下3 種螺栓松動程度（p0 ＝14.3 kN）Fig.19 Loosening degree for three kinds of bolts at different temperatures （p0 ＝14.3 kN）

3 結論

（1） 螺栓連接結構的松動過程都可以分為2 個階段： 快速下降階段， 由于螺紋表面的粗糙峰被去除和螺栓連接結構發生塑性變形， 螺栓軸向力迅速下降； 緩慢下降階段， 由于材料的棘輪效應， 連接結構的塑性變形趨于安定極限， 接觸界面的微動磨損螺栓軸向力緩慢下降。

（2） 隨著溫度的升高， 螺栓連接結構因變形不一致導致構件之間的相對運動加劇， 在相同橫向交變位移載荷下， 螺栓表面的磨損更加嚴重， 螺栓連接結構的松動程度增大。

（3） 溫度升高， DLC 涂層螺栓松動程度增加，螺紋表面磨損程度更嚴重。 但DLC 涂層螺栓連接結構整體上具有相對較好的防松性能。 主要原因是： 螺紋表面涂層因微動磨損發生剝落， 剝落的涂層存在接觸副間， 可以減輕螺紋接觸界面之間的磨損。 疲勞磨損、 磨粒磨損和氧化磨損為螺紋表面的主要磨損機制。

（4） 溫度升高， CrAlN 涂層螺栓的松動程度增加， 螺紋表面的磨損更加劇烈。 當溫度上升到一定值時， 螺栓松動程度無明顯差異。 主要原因可能是：CrAlN 涂層在溫度載荷下會產生一定量的Al2O3， 而一定量的Al2O3可以起到潤滑作用， 減輕螺紋接觸面之間的微動磨損。 疲勞磨損和磨粒磨損為螺紋表面的主要磨損機制。